oofdstuk2: stof en energiewisseling... 2 1. Moleculen in de cel... 2 1.1. Water... 2 1.2. Mineralen... 2 1.3. rganische moleculen... 3 1.3.1. Sachariden... 3 1.3.2. Lipiden... 6 1.3.3. Eiwitten enzymen.... 7 2. Energie-omzettingen in de cel... 10 3. elmetabolisme... 11 3.1. Productie van energierijke verbindingen... 11 3.1.1. Fotosynthese... 11 3.2. Vrijmaken van energie uit energierijke verbindingen... 12 3.2.1. Aërobe ademhaling... 12 3.2.2. Anäerobe ademhaling... 13 LEERPLADELSTELLIGE De leerlingen kunnen B2 4 de biochemische structuur van belangrijke biologische moleculen herkennen en beschrijven en enkele voorbeelden van biomoleculen geven. B2 5 aantonen wat het belang is van water, mineralen, sachariden, lipiden en proteïnen voor het metabolisme van de cel. LEERIUDE Biomoleculen als - verbindingen, in ketens, ringen, macromoleculen, polymeren, Sachariden (mono-, di- en polysacchariden), lipiden (triglyceriden en fosfolipiden, verzadigde en onverzadigde), proteïnen (aminozuren, polypeptiden, van primaire tot quaternaire structuur). Voorbeelden van sachariden, lipiden, proteïnen Begrippen celmetabolisme, katabolisme(dissimilatie), anabolisme( assimilatie) en hun onderlinge samenhang Voorbeelden geven van anabole en katabole celprocessen Belang van eiwitten als enzym en bij transportprocessen in het celmembraan B2 W 1-5 6 experimenteel vaststellen dat de werking van een enzym afhankelijk is van fysische en chemische factoren. Leerlingenpracticum B1,2 7 schematisch uitleggen hoe cellen van autotrofe organismen zelf glucose (energierijke organische moleculen) kunnen opbouwen uitgaande van een externe energiebron en energiearme moleculen. B1,2 8 schematisch uitleggen hoe in elke cel energie bekomen wordt door stapsgewijze oxidatie van glucose. Fotosynthese in de chloroplast, licht- en donkerreactie, correcte chemische reactie ATP Respiratie (celademhaling) in de mitochondriën Fermentatie ATP 1
oofdstuk2: stof en energiewisseling 1. Moleculen in de cel 1.1. Water (zie ook vorig jaar) et watergehalte wordt bepaald door het verschil te nemen tussen versgewicht en drooggewicht (na drogen in droogstoof bij 105 ). De hoeveelheid aan water varieert met de soort, leeftijd, leefomgeving, orgaan, het gehalte aan lipiden. Gemiddeld gezien bevatten planten meer water dan dieren (75% <-> 65%). Water in een organisme kan ingedeeld worden in intercellulair water (ca. 25%) en intracellulair water (ca.75%), respectievelijk het water dat zich tussen de cellen en binnen de cellen bevindt.. Water vervult een zeer belangrijke rol binnen een organisme: het is een oplosmiddel van talrijke stoffen (ionen, moleculen, etc ) het is een transportmiddel van allerhande stoffen (2, 2, enz ) het is een reagens bij talrijke reacties (hydrolyse, fotosynthese) het is belangrijk voor temperatuurregeling het zorgt voor stevigheid bij planten het is een milieu waar zeer veel reacties in plaatsgrijpen 1.2. Mineralen Mineralen zijn elementen die een levensbelangrijke functie in de stofwisseling uitvoeren. De elementen,,,, S, P, K, a, Fe, Mn, Zn, Mo, u vormen samen 99,9% van de massa van een organisme.,,, en S worden niet als mineraal aanschouwd, mits ze vooral voorkomen in organische verbindingen. Mineralen worden meestal opgenomen onder de vorm van anorganische ionen (die in zouten voorkomen). p basis van de hoeveelheid die we dagelijks moeten innemen, onderscheiden we micro-(<100mg/dag) en macro-elementen (>100mg/dag). Macro-elementen: a / P / Mg / a / l / K: Micro-elementen Fe / Zn / u / Se / I / Mn / Mo / r / F / S / o / Si /.. Taak: zoek zelf de functie op van de macro- en micro-elementen. 2
1.3. rganische moleculen 1.3.1. Sachariden Sachariden zijn opgebouwd uit de elementen, en. et is moeilijk een sluitende definitie van sachariden te geven. et zijn echter alle organische polyhydroxyverbindingen die 1 of meerdere aldehyde (-=) of keto(=)functies bevatten of leveren bij hydrolyse. We onderscheiden monosachariden, disachariden en polysachariden. 1.3.1.1. Monosachariden Monosachariden zijn de enkelvoudige suikers en hebben een formule m2nn. Meestal zijn het pentosen (5105) of hexosen (6126), tetrosen en heptosen zijn zeldzaam. De Fisher-projectie van de meest voorkomende monosachariden zijn: 2 2 2 2 2 D-glucose D-galactose D-mannose D-fructose Bij de Fisherprojectie wordt de koolstofketen vertikaal uitgestrekt getekend. Groepen die rechts en links staan, steken vóór het vlak uit. Alle in de natuur voorkomende monosachariden zijn D-suikers, d.w.z. dat de groep op de 5 rechts staat (dextro). Bij een L-suiker staat de groep op de 5 links. Als we een meer realistische voorstelling van glucose bekijken (aworth-projectie, bekomen door de Fisher projectie te kantelen : groepen in de Fisher projectie rechts komen onderaan te staan, groepen links, bovenaan), zien we dat een soort ringvormige structuur ontstaat : pyranose. 2 Een chemische reactie (die we later zullen zien in chemie, nl. nucleofiele aanval) wordt deze ring gesloten. In werkelijkheid is de ring nog wat gevouwen (door sp 3 hybridisatie, met hoeken van ca. 120 ). Wanneer bij de ringsluiting de naar boven staat, spreken we van de β- vorm, als ze onderaan staat van de α-vorm. 2 β-glucopyranose 2 α-glucopyranose 2 3
Deze ringen kunnen natuurlijk weer openspringen, maar monosachariden bestaan voor 95% in de gesloten ringvorm. oewel alle -groepen er eender uitzien, zijn ze chemisch verschillend. De groep op de 1 die na ringsluiting ontstaat, heeft een reducerende werking 1, men spreekt van een glucosidische -groep. De andere -groepen zijn alcoholische groepen. 1.3.1.2. Disachariden Disachariden ontstaan door condensatie van 2 monosachariden met afsplitsing van een watermolecule : - + - 2 + - -. Bij toevoeging van water ontstaan er opnieuw 2 monosachariden. Deze condensatie kan dus gebeuren tussen 2 reducerende -groepen, zodat het resulterende disacharide niet-reducerend zal zijn (er is geen enkel reducerende -groep over). Wanneer condensatie gebeurt tussen een reducerende -groep en een niet-reducerende -groep, dan is het resulterende disacharide reducerend. 2 2 2 1 In feite is dit niet helemaal correct: de reducerende werking is afkomstig van de aldehyde- of ketofunctie. De ringsluiting en omgekeerde reactie (ringopening) zijn flexibele reacties en gaan spontaan in elkaar over. De reducerend vermogen wordt niet veroorzaakt door de -groep, wel door de aldehyde en keto-groep. 4
Algemeen: monosachariden zijn reducerend, bepaalde disachariden hebben een reducerende werking, andere niet. De in de natuur voorkomende disachariden zijn: sacharose (α-glucopyranose en β-fructofuranose, nietreducerend), maltose (2 α -glucopyranose moleculen, reducerend) en lactose (β-galactopyranose en α-glucopyranose, reducerend) 1.3.1.3. Polysachariden Polysachariden ontstaan door condensatie van vele tientallen tot duizenden monosachariden. ierbij worden n-1 watermoleculen afgesplitst (bij vorming van een disacharide wordt 1 2 afgesplitst, bij condensatie van 3 monosachariden 2 2 moleculen, bij condensatie van n monosachariden n-1 2 moleculen. 2 2 2 2 De opeenvolgende monosachariden worden aan elkaar gehecht door reactie van een glucosidische (reducerende) -groep met een alcoholosche -groep. Voorbeelden: - zetmeel: is opgebouwd uit α-glucopyranose-eenheden die verbonden zijn door een α(1 4)binding. We vinden ze vooral in knollen en bollen van planten en bestaat voor 20% uit amylose (onvertakt; 100-1000 glucose-eenheden) en 80% amylopectine (vertakt; 1000-1000000 glucose eenheden; beter oplosbaar, vertakkingen door middel van α (1-6- binding)) - glycogeen: dierlijk zetmeel, cfr amylopectine maar vertakkingen korter, komt voor in de lever en spieren van dieren - cellulose: is opgebouwd uit β-glucopyranose-eenheden. Zoogdieren kunnen de binding tussen de moleculen (β1 4) niet afbreken. 5
Functie van sachariden: bescherming (glycocalix); reserve (zetmeel bij planten + glycogeen bij dieren); energie (1g = 17kJ); stevigheid (cellulose bij planten). 1.3.2. Lipiden Lipiden worden ingedeeld in de complexe of hydrolyseerbare lipiden enerzijds, en de eenvoudige of niet-hydrolyseerbare anderzijds. 2 2 x 2 3 1.3.2.1. omplexe of hydrolyseerbare lipiden 2 y 2 3 Deze lipiden zijn esters van glycerol en vetzuren (onvertakte organische zuren met veel ). Lipiden zijn mengsels van triësters. De R-ketens kunnen verzadigd of onverzadigd zijn, en bevatten meestal een even aantal -atomen. Vermits de configuratie rond een dubbele binding steeds een cis-configuratie betreft, vertonen die ketens een knik (van ca. 30 ). De dispersiekrachten tussen de moleculen zijn dan minder efficiënt, waardoor het lipide een lager smeltpunt heeft. Lipiden van dierlijke afkomst hebben meestal verzadigde vetzuren, bij kamertemperatuur zijn ze vast (vetten); oliën zijn meestal van plantaardige afkomst hebben een of 2 2 meerdere vetzuren onverzadigd, en zijn bijgevolg bij kamertemperatuur vloeibaar. 2 2 2 2 x y z 2 z 2 3 2 3 2 3 2 3 nverzadigde ketens kunnen verzadigd worden door additie van 2 (hydrogenering). ierop berust het harden van plantaardige oliën ten behoeve van de productie van margarine. Er is immers aangetoond dat er een correlatie bestaat tussen opname van verzadigde vetzuren en hart en vaatziekten. Plantaardige lipiden zijn dus gezonder dan dierlijke, en zouden boven dierlijke verkozen moeten worden. Door het hydrogeneren wordt echter een deel van het gezonde effect teniet gedaan. ok de fosfolipiden (zie eerder, glycerol, fosforzuur en aminoalcohol) behoren tot de complexe of hydolyseerbare lipiden. 1.3.2.2. Eenvoudige of niethydrolyseerbare lipiden De belangrijkste eenvoudige lipiden zijn de terpenen en steroïden. Steroïden zijn lipiden met als basisstructuur een gecondenseerd ringsysteem van 3 zesringen (cyclhexaan) en een vijfring (cyclopentaan). Deze zijn belangrijk voor de 6
biosynthese van galzuren en hormonen (cortison, testosteron, progesteron, oestrogeen, aldosteron) en cholesterol. Terpenen zijn polymeren van 2-methyl-1,3 butadieen of isopreen. atuurlijk rubber (die weliswaar niet voorkomt in de cel) is cis 1,4 polyisopreen. β-caroteen is een afgeleid product van terpenen. De vele geconjugeerde dubbele bindingen zijn verantwoordelijk voor de rode kleur. β-caroteen kan gesplitst worden in 2 vitamine A moleculen. Functie van lipiden: energieleverancier (1g = 38kJ); reservestof (vetten); ondersteuning organen (o.a. hart en nieren); bescherming tegen koude (isolatie), stoten (o.a. hiel, voetzool); oplosmiddel vitaminen A,D, E, K, stabilisatie membranen (cholesterol), grondstof hormonen; drijfvermogen; bouw van membranen (fosfolipiden); (pro)vitaminen; pigmenten/kleurstoffen (carotenen). 1.3.3. Eiwitten enzymen. Eiwitten zijn opgebouwd uit de elementen,,, maar ook uit, soms S en P. 1.3.3.1. Aminozuren Eiwitten zijn polymeren van aminozuren. oewel een 200-tal aminozuren bestaan, zijn alle eiwitten van organismen opgebouwd uit een combinatie van 20 aminozuren, die allen eenzelfde basisstructuur hebben: een carboxylgroep, aminogroep en restgroep (R staat hier niet voor een keten uitsluitend uit atomen, zoals in de koolstofchemie). Wanneer de carboxyl- en amino-groep op 2 R eenzelfde -atoom staan, noemt men dit -atoom het α--atoom (dit is bij alle 20 AZ het geval). Met deze 20 aminozuren kunnen oneindig veel eiwitten mee worden gemaakt (cfr. letters van het alfabet). Alle 20 AZ die gebruikt worden bij synthese van eiwitten, zijn L-aminozuren (2-groep staat links in Fisher projectie). Essentiële aminozuren zijn aminozuren die het organisme niet zelf kan synthetiseren, en daarom via het voedsel moeten worden opgenomen. Essentiële aminozuren verschillen van soort tot soort, 8 van de 20 AZ die worden gebruikt bij opbouw van proteïnen zijn voor de mens essentieel. De carboxylgroep is een zure groep, een aminogroep is basisch. Er zal bijgevolg een intramoleculaire protonoverdracht plaatsgrijpen in neutraal midden. Zo ontstaat een deeltje met een positieve en negatieve lading. Een dergelijk deeltje, dat in zijn geheel neutraal is, noemen we een Zwitterion. Door deze ladingen trekken AZ elkaar sterk aan, zodat kook- en smeltpunten hoog liggen: het zijn bij kamertemperatuur vaste stoffen. Ze lossen dankzij deze ladingen goed op in water. R R zwitterion 7
1.3.3.2. Primaire, secundaire, tertiaire en quaternaire structuur van eiwitten. Een eiwit ontstaat doordat 2 afgsplitst wordt tussen de -groep en de 2-groep. zo ontstaat een peptidebinding. 2 R R R R Peptidebinding: nder primaire structuur verstaan we de volgorde van de verschillende aminozuren in de keten. Bemerk dat de en binding zich in trans-positie bevinden. Deze peptidebinding speelt een doorsslaggevende rol in de verdere structuur van het eiwit. Tusssen de, en -atomen ontstaat mesomerie. ierdoor is er geen vrije rotatie meer mogelijk tussen de en. De vier atomen,, en liggen in éénzelfde vlak (pepetidevlak), en er is enkel draaibaarheid tussen de verschillende peptidevlakken mogelijk ter hoogte van de α--atomen.door het ontstaan van -bruggen (= ---- -) van verschillende peptidebindingen, kunnen twee stabiele conformaties ontstaan: de α-helix en β- vouwblad. Deze ruimtelijke gerichtheid noemt men de secundaire structuur van de peptideketen. R-groepen van deze structuur kunnen elkaar opnieuw aantrekken, zodat opnieuw opplooiing gebeurt. De wijze waarop de α-helix en het β-vouwblad zich in de ruimte uitstrekt noemt men de tertiaire structuur. Als een proteïne is opgebouwd uit meerdere eiwitketens, dan vormt de manier waarop de verschillende ketens ten opzichte van elkaar zijn gerangschikt, de quaternaire structuur van het proteïne. De tertiaire en quaternaire structuur wordt in stand gehouden door volgende interacties of combinaties ervan: - -bruggen - dipool-dipool interacties - ionbindingen - zwavelbruggen - vanderwaalse krachten. 8
Deze bindingen worden beïnvloed door p, zoutconcentratie en temperatuur. Wijziging van p en/of temperatuur zal daarom leiden tot wijziging van secundaire, tertiaire en/of quaternaire structuur van een eiwit, waardoor het zijn functie verliest: denaturatie. Als de omstandigheden opnieuw gunstig worden (en de denaturatie was mild), dan herstellen de hoger genoemde bindingen zich, en worden de secundaire, tertiaire en quaternaire structuur hersteld. In een cel gebeuren talrijke chemische reacties, alle met een zeer hoge rendement. Deze hoge efficiëntie is te danken aan de aanwezigheid van enzymen. Dit zijn eiwitten die in staat zijn een reactie bij betrekkelijke lage temperatuur met zeer hoog rendement te doen verlopen, zonder dat ze zelf worden opgebruikt: het zijn biokatalysatoren. Enzymen zijn substraatspecifiek of reactiespecifiek: substraatspecifiek: een enzym (slot) kan maar een bepaalde reactie bij een welbepaalde stof (het substraat=de sleutel) uitvoeren. reactiespecifiek: een enzym kan eenzelfde reactie (methylering, decarboxylering, etc ) uitvoeren op verschillende (maar dat is ook een beperkt aantal) substraten. De plaats van het enzym waar de reactie plaatsgrijpt noemt men het actief centrum. Dit actief centrum is meestal zeer klein in vergelijking tot het ganse enzym (dat dient om het actief centrum in stand te houden). De specificiteit van een enzym wordt veroorzaakt doordat substraat en actief centrum volledig complementair dienen te zijn (-bruggen, ionaire interacties, etc ). Veel enzymen zijn slechts werkzaam wanneer een welbepaalde niet-protëinegroep aanwezig is: de cofactor. et eiwitgedeelte wordt het apo-enzym genoemd. De cofactor kan een metaalion zijn (metaalionactivator) of een organische molecule (coënzym). De werking van enzymen wordt beïnvloed door temperatuur en zuurtegraad. Elk enzym heeft zijn eigen optimumtemperatuur en optimumzuurtegraad (zie hoger, dit omdat door veranderen de p, zoutconcentraties en temperatuur de secundaire, tertiaire of quaternaire structuur geheel of gedeeltelijke verloren gaat, of interacties ter hoogte van het actief centrum veranderen. Functie van eiwitten: bouw (fibrillaire proteïnen), enzymen (globulaire proteïnen), receptoren (membraan) en transport doorheen het membraan (kanaaleiwitten, gap junctions). 9
2. Energie-omzettingen in de cel Alle levensprocessen vergen energie (endergonische processen). Deze energie wordt meestal geleverd door de afbraak van glucose, dat een exergonisch proces is (een proces dat energie levert). A B D Endergonische processen (dit zijn processen die energie nodig hebben) verlopen niet altijd op de plaats van glucose-afbraak. Tijdens de exergonische afbraak wordt een energierijke stof gevormd, die zich gemakkelijk kan bewegen naar een plaats waar energie is vereist. Door afbraak van deze energierijke verbinding komt er energie vrij, dat gebruikt kan worden voor een endergonische reactie. A X X B Y Y D Bij de meeste dergelijke koppelingen in de cel wordt gebruik gemaakt van adenosinetrifosfaat (ATP). We vinden deze molecule terug in alle levende wezens. et is dan ook een universele energiedrager. 2 P P P Adenosinetrifosfaat adenosinedifosfaat + fosfaat + E ATP ADP + P + 29,4kJ De opbouw van ATP (ADP + P) is endergonisch (vereist energie), de afbraak exergonisch. 10
3. elmetabolisme In een cel gebeuren talrijke chemische reacties. et geheel van deze reacties wordt het metabolisme genoemd. Wanneer tijdens deze reactie grotere moleculen worden opgebouwd spreken we van anabolisme. Worden grotere moleculen afgebroken tot kleinere om energie te produceren of om de grotere stoffen te verwijderen dan spreken we van katabolisme. Beide zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden: om nieuwe stoffen op te bouwen is energie nodig, die gewonnen wordt uit de afbraak van energierijke moleculen. Energierijke stoffen worden ofwel gehaald uit het milieu (heterotrofe organismen, maken gebruik van bestaande verbindingen) of worden zelf aangemaakt. 3.1. Productie van energierijke verbindingen Autotrofen maken zelf energierijke verbindingen aan op basis van een externe energiebron. Deze energierijke verbindingen worden later afgebroken om aan energie te komen voor levensnoodzakelijke processen. et bekendste voorbeeld van autotrofie betreft ongetwijfeld de fotosynthese. aast deze vorm van foto-autotrofie, bestaat er ook chemo-autotrofie (chemosynthese). 3.1.1. Fotosynthese De fotosynthese vindt plaats in de chloroplasten, en komt neer op een reductie van 2 tot glucose (6126): 6 2 + 6 2 6126 + 6 2 Met elke reductie gaat een oxidatie gepaard. Dit betekent dat de reductie van koolstofdioxide enkel kan doorgaan, als ze gekoppeld wordt aan een oxidatie. Licht speelt hier een cruciale rol: in een reeks reacties wordt een stof ADP + gereduceerd door licht tot ADP. De reductie van koolstofdioxide wordt vervolgens gekoppeld aan de oxidatie van ADP tot ADP +. De fotosynthese valt uiteen in twee deelprocessen. 1) De lichtreacties: hierbij is licht noodzakelijk en wordt ADP + gereduceerd tot ADP. 2 ADP + + 3 (ADP+P) + 22 2 (ADP+ + ) + 3 ATP + 2 ADP: nicotinamide adenine dinucleotide phosphate ADP + : de geoxideerde vorm ADP+ + : de gereduceerde vorm 11
2) De donkerreacties (alvin-benson-cyclus): tijdens deze reacties wordt koolstofdioxide stapsgewijs gereduceerd tot glucose. De reductie van koolstofdioxide wordt gekoppeld aan de oxidatie van ADP tot ADP +. 12 (ADP+ + ) + 6 2 + 18 ATP + 6 2 12 ADP + + 18 (ADP+P) + 12 2 + 6126 3.2. Vrijmaken van energie uit energierijke verbindingen Zowel autotrofe als heterotrofe organismen hebben energie nodig. Deze energie wordt gehaald uit afbraak van energierijke verbindingen. In vele gevallen is wordt glucose gebruikt. Deze afbraak is chemisch gezien een oxidatie en gebeurt in verschillende stappen, en kan in aan- of afwezigheid van zuurstofgas gebeuren. ok andere stoffen (aminozuren en lipiden) kunnen als bron van energie fungeren. Meestal worden zij afgebroken tot tussenproducten van de afbraak van glucose, en dus via dezelfde weg afgebroken. 3.2.1. Aërobe ademhaling 3.2.1.1. De glycolyse (geen 2 vereist) De eerste stap in de afbraak van glucose levert 2 moleculen pyrodruivensuiker (pyruvaat) per molecule glucose. Deze afbraak gebeurt in het cytoplasma en vereist geen zuurstofgas. De elektronen die vrijkomen bij de oxidatie, worden opgevangen door AD+ (icontinamide Adenine Dinucleotide). De glycolyse levert per molecule glucose, twee moleculen ATP (dit is een beperkte energiewinst). 6126 + 2 ADP + 2 AD + 2 343 + 2ATP + 2 (AD+ + ) 12
3.2.1.2. xidaties in de mitochondriën Wanneer zuurstofgas voorhanden is, kan het pyruvaat in de mitochondriën verder worden geöxideerd tot 2. Dit levert een aanzienlijke hoeveelheid energie onder de vorm van ATP op. De oxidatie van het eerder gevormde AD tot AD + levert ook nog een aantal AP-moleculen op. Deze aërobe oxidatie van 2 moleculen pyruvaat, levert in totaal 36 moleculen ATP op (glycolyse slechts 2!). 2 343 + 30 ADP + 62 6 2 + 6 2 + 30 ATP 2(AD+ + ) + 6(ADP+P) 2AD + + 6 ATP In aanwezigheid van zuurstofgas kan glucose volledig worden geoxideerd tot koolstofdioxide. etto: 6126 + 6 2 + 38 (ADP+P) 6 2 + 6 2 + 38 ATP 3.2.2. Anäerobe ademhaling In afwezigheid van zuurstofgas gaat de glycolyse door, maar de oxidaties in de mitochondriën niet. Teneinde de stof AD + te herwinnen (noodzakelijk voor glycolyse) wordt pyrodruivenzuur (343) gereduceerd tot ethanol of melkzuur. 2 343 + 2 (AD+ + ) 2 2 + 2AD + + 2 25 F 2 343 + 2 (AD+ + ) 2 3 (melkzuur) + 2AD + Bij deze oxidaties wordt geen energie vastgelegd in ATP. Per molecule glucose is er maar winst van 2 ATP-moleculen, in tegenstelling tot de 38 moleculen bij een aërobe afbraak. 13